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过程控制系统试题库
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勾厚政编辑
宿迁学院机电系自动化学科
20XX年6月3日星期五
第一章绪论
1．1．过程控制英文ProcessControl通常是指连续生产过程的自动控制是自动化技术最重要的组成部分之一
1．1-1．过程控制是生产过程自动化的简称泛指石油化工电力冶金轻工建材核能等工业生产中的连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制是自动化技术的重要组成部分
1．1-2．连续生产过程的特征是生产过程中的各种流体在连续或间歇的流动过程中进行着物理化学反应物质能量的转换或传递
1．1-3．从控制的角度通常将工业生产过程分为三类即连续型离散型和混合型过程控制主要是针对连续生产过程采用的控制方法
1．1-4．过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制工业四大参数是温度压力流量物液位的自动控制使其保持恒定或按一定规律变化在保证产品质量和生产安全的前提下使连续生产过程自动地进行下去
1．1-5．过程控制系统的定义为实现对某个工艺参数的自动控制由相互联系制约的一些仪表装置及工艺对象设备构成的一个整体
1．1-6．在讨论控制系统工作原理时为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系一般用原理框图来表示控制系统
1．1-7．过程控制系统的主要任务是对生产过程中的重要参数温度压力流量物位成分湿度等进行控制使其保持恒定或按一定规律变化
1．1-8．过程控制的特点
⑴．控制对象被控过程复杂控制要求多样
⑵．控制方案丰富多彩
⑶．控制过程大多数属于慢过程与参数控制
⑷．定值控制是过程控制的主要形式
⑸．过程控制系统由规范化的系列化的检测与控制仪表或自动化装置组成
1．2．过程控制的发展概况
1．2-0．过程控制的发展历程就是过程控制装置自动化仪表与系统的发展历程
1．2-1．过程控制装置与系统的发展过程
1．局部自动化阶段20世纪50～60年代自动化仪表安装在现场生产设备上只具备简单的测控功能
2．模拟单元仪表控制阶段20世纪60～70年代控制仪表集中在控制室生产现场各处的参数通过统一的模拟信号送往控制室操作人员可以在控制室监控生产流程各处的状况
3．集散控制阶段20世纪70年代中期至今
1．2-2．过程控制策略与算法发展
1．3．过程控制系统的性能指标
1．3-1．干扰阶跃响应和给定阶跃响应的区别
1．3-2．系统阶跃响应的单项性能指标
⑴．衰减比衰减率
衰减比取整数习惯上常表示为例如
衰减率
⑵．最大动态偏差超调量
最大动态偏差
超调量
⑶．残余偏差系统设定值与稳态值的差值即
⑷．调节时间峰值时间振荡频率
调节时间
峰值时间
振荡频率
1．3-3．系统阶跃响应的综合性能指标
⑴．偏差积分IEIntegralofError
⑵．绝对偏差积分IAEIntegralAbsolutevalueofError
⑶．平方偏差积分ISEIntegralofSquaredError
⑷．时间与绝对偏差乘积积分ITAEIntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError
1．3-4-1．某换热器的温度控制系统给定值为200℃在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示试求最大偏差余差衰减比振荡周期和过渡时间
解最大偏差
A230-20030℃
余差C205-2005℃
衰减比ny1y325551
1．3-4-2．某被控过程工艺设定温度为900℃要求控制过程中温度偏离设定值不得超过80℃现设计的定值温度控制系统在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图试求最大动态偏差衰减比振荡周期该系统能否满足工艺要求
解
最大动态偏差
衰减比
振荡周期
50＜80能满足工艺要求
1．3-4-3．某化学反应器工艺规定的操作温度为900±10℃考虑安全因素要求控制过程中温度偏离设定值不得超过80℃现设计的定值温度控制系统在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图试求最大动态偏差衰减比振荡周期该系统能否满足工艺要求
解
最大动态偏差
衰减比
振荡周期
余差℃
50＜80能满足工艺要求
过渡过程时间47min
1．3-4-4．某化学反应器工艺规定的操作温度为800±10℃考虑安全因素要求控制过程中温度最高值不得超过850℃现设计的定值温度控制系统在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如下图试求最大动态偏差余差衰减比过渡时间±2和振荡周期该系统能否满足工艺要求
解
最大动态偏差℃
余差℃
衰减比
过渡过程时间25min
振荡周期
5＜10能满足工艺要求
1．3-4-5．某发酵过程工艺规定的操作温度为40±2℃考虑发酵效果要求控制过程中温度偏离给定值最大不得超过6℃现设计的定值温度控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如下图试求最大偏差衰减比余差过渡时间±2和振荡周期该系统能否满足工艺要求
解
最大动态偏差℃
余差℃
衰减比
过渡过程时间23min
振荡周期
5＜6能满足工艺要求
补充思考题与实用题
1．王1-2什么过程控制系统典型过程控制系统有哪几部分组成
厉P1-12什么是化工自动化化工自动化主要包括哪些内容
厉P1-3自动控制系统怎样组成
参考答案
⑴过程控制ProcessControl是生产过程自动化的简称泛指石油化工电力冶金轻工纺织建材核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制是自动化技术的重要组成部分
⑵在化工生产过程设备装置上配备一些自动化装置代替操作人员的部分直接劳动是生产在不同程度上自动进行这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法称为化工生产过程自动化
化工生产过程自动化一般包括自动检测自动操纵自动保护和自动控制等方面的内容
自动控制系统主要由两大部分组成一部分是起控制作用的全套自动化装置对于使用常规仪表的的过程控制系统来说它包括检测元件及变送器控制器执行器等另一部分是受自动化装置控制的被受控对象》
2．王1-4说明过程控制系统的分类方法通常过程控制系统可以分哪几类
厉P1-7根据设定值的形式闭环控制系统可以分哪几类
参考答案
过程控制系统的分类方法很多通常使用的大类分类方法有两种
⑴按设定值的形式不同划分⑵按系统结构的特点分类
根据设定值的形式闭环控制系统可以分三类
⑴定值控制系统⑵随动控制系统⑶程序控制系统
按系统结构的特点分类
⑴开环系统⑵反馈控制系统⑶前馈控制系统⑷前馈反馈复合控制系统
第二章过程检测与变送仪表
2．1检测仪表的基本技术指标
2．1-1．真值被测量物理量客观存在的真实数值许多物理量的真值是按国际公认的方式认定的即使用认定设备的检测结果作为真值通常个个国家或国际组织将其法定计量机构的专用设备作为认定设备它的检测精度在这个国家或国际组织内被认为是最高的用这种方法确定的所谓真值不是真正意义上的真值而是一种约定真值一般记为实际校验仪表时用精确度较高的标准表所测得的测出值作为标准值有人称之为传递真值
2．1-2．绝对误差在用仪表或被校验仪表的测出值真值或器件铭牌上的标称值
绝对误差的表示必须有或号数值的大小单位量纲
绝对误差的符号一般人们使用或或
2．1-3．相对误差某测量点的
实际相对误差
标称相对误差
引用误差满度相对误差
量程测量范围
某一个测量点满度相对误差
模拟连续输出仪表在测量范围内的最大满度相对误差
2．1-4．具有连续模拟显示仪表的基本特性
基本误差基本误差是指仪表在国家规定的标准条件下使用时出现的误差通常与最大满度相对误差密切联系
精确度简称精度国家统一规定了仪表的精度等级系列数值用表示某仪表的精度等级是将该仪表的最大满度相对误差去掉±号和号后取接近的标准系列值
例2-1．某台测温仪表的测量范围为-100700℃校验该仪表时测得全量程内的最大绝对误差为5℃要求确定该仪表的精度等级
解
校验仪表时取偏大值即该仪表的精度等级为10级
例2-2．选择一台测量压力的仪表测压范围为08MPa根据工艺要求测压示值的误差不允许超过±005MPa要求确定满足工艺要求的仪表的精度等级
解
选择仪表时取偏小值即该仪表的精度等级为05级
灵敏度表示指针模拟量显示式测量仪表对被测参数变化的敏感程度常以仪表输出变化量如指示装置的直线位移或角位移与引起此输出变化量位移的被测参数变化量之比表示
灵敏限表示指针式仪表在量程起点处能引起仪表指针动作的最小被测参数变化值
对于数字式仪表则用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限
分辨力是指仪表能够显示的最小被测值
变差在外界条件不变的情况下同一仪表对被测量进行往返测量时正行程和反行程产生的最大差值与测量范围之比称为变差
2．1-5．测试题习题补充题
1．王2-1某一标尺为01000℃的温度计出厂前校验数据如下
标准表读数℃02004006008001000被校验表读数℃02014026048061001求该表⑴最大绝对误差⑵仪表的精度⑶如果工艺要求允许最大误差为±5℃该表是否能用
解
标准表读数℃02004006008001000被校验表读数℃02014026048061001绝对误差012461满度相对误差0102040601⑴最大绝对误差6℃
⑵仪表的精度1级
⑶如果工艺要求允许最大误差为±5℃该表不能用
2．厉例3-1某一标尺为01000℃的温度计出厂前校验数据如下
被校验表读数℃02004006007008009001000标准表读数℃02014026047068059031001求该表⑴最大绝对误差⑵仪表的精度
解
被校验表读数℃02004006007008009001000标准表读数℃02014026047068059031001绝对误差0-1-2-4-6-5-3-1满度相对误差0-01-02-04-06-05-03-01⑴最大绝对误差6℃
⑵仪表的精度1级
3．王2-2一台压力表量程为010MPa校验数据
标准表读数MPa0246810被校验表读数MPa正行程01．983．965．947．979．99反行程02．024．036．068．0310．01求⑴变差⑵基本最大满度相对误差⑶该表是否符合1级精度
解
标准表读数MPa0246810被校验表读数MPa正行程01．983．965．947．979．99反行程02．024．036．068．0310．01绝对误差正行程0－0．02－0．04－0．06－0．03－0．01反行程0＋0．02＋0．03＋0．06＋0．03＋0．01变差00400701200600200．40．71．20．60．2满度相对误差正行程0－0．2－0．4－0．6－0．3－0．1反行程0＋0．2＋0．3＋0．6＋0．3＋0．1⑴变差0．12
⑵基本最大满度相对误差±0．6
⑶该表的变差为1．2不符合1级精度
※仪表允许变差的数值应等于或小于仪表的精度照这个条件该表不符合1级精度
4．王2-5有两块直流电流表它们的精度等级和仪表量程分别为表110级0～250mA表225级0～75mA现在测量50mA的直流电流从准确性经济性考虑选用哪快表更合适
解
表1
表2
从准确性经济性考虑选用表2更合适
5．王2-13如果某反应器最大压力为10MPa允许的最大绝对误差为0．01MPa现用一台测量范围为01．6MPa精度为1级的压力表进行测量问能否符合工艺要求若用一台测量范围为01．0MPa精度为1级的压力表进行测量问能否符合要求
解
测量范围为01．6MPa精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为
MPa大于0．01MPa不能符合工艺要求
测量范围为01．0MPa精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为
MPa等于0．01MPa从允许的最大绝对误差角度能符合工艺要求但量程不符合
6．厉例3-4如果某反应器最大压力为0．8MPa允许的最大绝对误差为0．01MPa现用一台测量范围为01．6MPa精度为1级的压力表进行测量问能否符合工艺要求若用一台测量范围为01．0MPa精度为1级的压力表进行测量问能否符合要求
解
测量范围为01．6MPa精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为
MPa大于0．01MPa不能符合工艺要求
测量范围为01．0MPa精度为1级的压力表的允许的最大绝对误差为
MPa等于0．01MPa从允许的最大绝对误差角度能符合工艺要求量程也符合
7．某一标尺为0500℃的温度计出厂前校验数据
标准表读数℃0100200300400500被校验表读数℃0103198303406495求该表⑴最大绝对误差⑵确定仪表的精度等级⑶经过一段时间使用后重新校验仪表的最大绝对误差为±8℃问仪表是否还符合原来的精度等级
解
标准表读数℃0100200300400500被校验表读数℃0103198303406495绝对误差03-236-5满度相对误差06-040612-10⑴最大绝对误差6℃
⑵仪表的精度15级
⑶经过一段时间使用后重新校验仪表的最大绝对误差为±8℃最大满度相对误差16仪表已经超过15级不符合原来的精度等级
8．厉习题3-1一台压力表量程为025MPa校验数据
被校验表读数MPa0510152025标准表读数MPa正行程04．989．9014．9519．8524．95反行程0．055．019．9915．0120．0025．02求⑴最大误差⑵变差⑶该表是否符合05级精度
解
被校验表读数MPa0510152025标准表读数MPa正行程04．989．9014．9519．8524．95反行程0．055．019．9915．0120．0025．02绝对误差正行程00．020．100．050．150．05反行程0-0．010．01-0．010．00-0．02变差00300900601500701．20．360．240．60．28满度相对误差正行程0－0．2－0．4－0．6－0．3－0．1反行程0＋0．2＋0．3＋0．6＋0．3＋0．1⑴最大误差015MPa
⑵变差015MPa
⑶该表的变差为0．6不符合05级精度
※仪表允许变差的数值应等于或小于仪表的精度
9．厉习题3-2某温度控制系统控制温度为800℃要求绝对误差不超过±7℃现选择一台测量范围为01200℃精度等级为10级的仪表问是否合适如果不合适应如何选择
解
测量范围为01200℃精度等级为10级的仪表其最大误差
℃12℃大于7℃不合适
应选择测量范围为01200℃精度等级为05级的仪表
℃6℃小于7℃合适
2．2温度检测及仪表
2．2-0．温度是表征物体冷热程度的物理量是工业生产中最普遍而重要的操作参数
2．2-1．温度检测方法与仪表概述
2．2-2．热电偶
1．热电偶是以热电效应为原理的测温元件能将温度信号转换成电势信号mV
特点结构简单测温准确可靠信号便于远传一般用于测量500～1600℃之间的温度
2．将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路若两个连接点温度不同回路中会产生电势此电势称为热电势
3．热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成称热电势由于温差电势很小热电势基本由接触电势构成
4．热电偶的基本定律
均质导体定律热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成但其几何形状截面和长度等不限
中间导体定律在热电偶回路中接入另一种中间导体后只要中间导体两端温度相同中间导体的引入对热电偶回路的热电势没有影响
中间温度定律一支热电偶在两接点温度为tt0时的热电势等于两支同温度特性热电偶在接点温度为tta和tat0时的热电势之代数和即
EABttoEABt0－EABto0
据此只要给出冷端为0℃时的热电势关系EABt0便可求出冷端任意温度时的热电势
5．热电偶冷端温度补偿热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关还与冷端温度有关所以使用时需保持热电偶冷端温度恒定但实际使用的热电偶的冷端和热端离得很近使用时冷端温度较高且变化较大为此应将热电偶冷端延至温度稳定处
为了节约工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属作为热偶丝在低温区的替代品来延长热电偶称为补偿导线
6．热电偶冷端温度的处理查表法计算法仪表零点调整法冰浴法补偿电桥法半导体PN结补偿法
7．标准热电偶热电势与温度的关系允许误差型号分度号按国际标准IEC统一规定
8．热电偶的冷端温度校正1查表法2电桥补偿法
2．2-3．热电阻
1．对于500℃以下的中低温热电偶输出的热电势很小容易受到干扰而测不准一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量
2．金属热电阻测温精度高大多数金属电阻阻值随温度升高而增大具有正温度系数
3．铂材料容易提纯其化学物理性能稳定测温复现性好精度高被国际电工委员会规定为-259630℃间的基准器但线性度稍差常用于-200600℃温度测量
4．铂电阻的电阻温度关系
-2000℃
0850℃
铂电阻有两种分度号Pt10Pt100
5．铜电阻价格便宜线性度好但温度稍高易氧化常用于-50100℃温度测量铜电阻有两种分度号Cu50Cu100电阻温度关系
-50150℃
6．热电阻的三线制接法电阻测温信号通过电桥转换成电压时热电阻的接线如用两线接法接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差必须用三线接法
2．2-4．集成温度传感器
1．集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成相当于一个测温器件特点体积小反应快线性较好价格便宜测温范围为-50150℃
2．集成温度传感器按输出量形式不同可分为电压型电流型和数字型三类
2．2-5．温度显示与记录方法与仪表
1．动圈式指示仪表可直接与热电偶热电阻配套显示温度是最简单的模拟指示仪表
2．数字式指示仪表
3．自动记录仪表
4．数字式指示记录仪表
2．2-6．温度变送器
1．检测信号要进入控制系统必须传递符合控制系统的信号标准变送器的任务就是将不标准的检测信号如热电偶热电阻的输出信号转换成标准信号输出
2．现代电控系统模拟控制系统的信号标准是Ⅱ型010mA0～10VIII型4～20mA1～5V数字控制系统的信号标准有FF协议HART协议等
补充习题例题典型题
1．王2-7用分度号K的热电偶测量某设备的温度测得热电动势为203mV热电偶冷端温度为30℃求设备的温度如果改用分度号为S的热电偶测量该设备的温度在相同的条件下测得热电动势为
解
查表计算
分度号为K的热电偶
改用分度号为S的热电偶测量该设备的温度
mV
2．厉-例用分度号K的热电偶测量某设备的温度在没有采用冷端补偿措施的情况下显示仪表的指示值为500℃而这时冷端温度为60℃此时实际温度为多少如果热端温度保持不变设法使冷端温度保持为20℃此时显示仪表的指示值为
解
使冷端温度保持为20℃
热端温度保持不变557℃则
3．厉-例3-19用分度号K的热电偶测量某设备的温度测得热电动势为20mV热电偶冷端温度为25℃求设备的温度如果改用分度号为E的热电偶测量该设备的温度在相同的条件下测得热电动势为
解查表计算
分度号为K的热电偶
改用分度号为S的热电偶测量该设备的温度
4．王2-9厉习题3-16厉例题3-25用Pt100铂电阻测温在查表时错用了Cu100的分度表查得温度为140℃问实际温度为多少厉有错误Cu100150℃→16427ΩPt10016427Ω→1687℃
解
查Cu100的分度表
140℃→Ω
查Pt100的分度表
Ω→℃
5．厉-例3-某温度控制系统最高温度为700℃要求测量的绝对误差不超过±10℃现有两台量程分别为01600℃01000℃的10级温度检测仪表试问应该选择哪台仪表更合适如果两台量程均01000℃精度等级分别为10级和05级那么又应该选择哪台仪表更合适
解
因为
⑴同为10级仪表量程为01600℃的仪表量程为01000℃的仪表
⑵同为量程为01000℃的仪表精度为10级的仪表已经能够满足要求从经济角度考虑不必选用05级的仪表
6．厉例3-20现用一支镍铬铜镍热电偶测量某换热器的温度其冷端温度为30℃显示仪表为动圈仪表机械零点为0℃这时仪表显示值为400℃若认为换热器的温度为430℃对不对正确值是多少
解
不对热电偶的热电势是非线性的
查表
显示仪表测出的毫伏值mV
冷端温度为30℃mV
热电偶的热电势mV
查表℃
7．厉习题3-8用镍铬镍硅热电偶测量炉温其冷端温度为30℃测得热电势为3329mV求被测炉子的实际温度
解
查镍铬镍硅热电偶的分度号为K的分度表
mV
mV
Mv
℃
8．厉习题3-9某台动圈式仪表是与镍铬镍硅热电偶配套使用的但错接了铂铑10铂热电偶仪表指示为201℃冷端温度为0℃问实际温度为多少
解
查镍铬镍硅热电偶的分度号为K的分度表
mV
查铂铑10铂热电偶的分度号为S的分度表
℃
2．3．压力检测及仪表
2．3-1．压力检测的方法
1．工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为压力
2．工程中压力的表示方式有表压负压真空度差压绝对压力
3．国际单位制SI定义的压力的单位是帕斯卡1Pa1Nm21MPa106Pa过去常用的压力单位是1工程大气压1kgfcm2980665×104Pa0980665×105Pa≈01MPa
2．3-2．压力表的选择安装与校验
1．为了合理经济使用仪表仪表的量程不能选得太大但为了保证测量精度一般被测压力的最小值不低于仪表满量程的13为宜同时为了延长弹性元件的使用寿命避免弹性元件因长期受力过大而永久变形压力计的上限值应该高于被测量的最大值量程的3423留有余量
2．仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差Δ来确定的不能认为选用的仪表精度越高越好应在满足工艺要求的前提下尽可能选用精度较低价廉耐用的仪表
3．例某台压缩机的出口压力范围为25～28MPa测量绝对误差不得大于1MPa工艺上要求就地观察并能高低限报警试正确选用一台压力表指出型号精度与测量范围要求条件为被测脉动压力25～28MPa测量绝对误差≤1MPa就地观察高低限报警
解
脉动压力对仪表寿命影响很大故选择仪表的上限值为
若选压力表的测量范围为0～60MPa
则25MPa60MPa13
被测压力的最小值不低于满量程的13下限值也符合要求
另外根据测量误差的要求可算得对仪表允许误差的要求为
故选精度等级为15级的仪表可以满足误差要求
答根据就地观察及能进行高低限报警的要求可选用YX150型电接点压力表测量范围为0～60MPa精度等级为15级
4．习题王-2-12工艺要求压力范围为12MPa±005MPa可选用的弹簧管压力表的精度有10152025和40五个等级可选用的量程规格有016MPa025MPa04MPa选用合适的仪表
解
量程选择
被测压力变化缓
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